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铁之后的元素是如何产生的?

这几天快无聊死了,尝试着回答一下这个问题解解闷吧。

先做一个数量级估计:恒星内部的平均温度大概是几百万摄氏度,请问此时恒星内部的原子核所具有的平均平动动能是多少?

,其中 k 为玻尔兹曼常数,取

,经过计算可得

那么算这个干什么?

因为如果想要发生核反应,那么两个核子必须要离得足够近,这样才能让核力发挥作用。而核力是一种短程力,有效力程不过几飞米(1 飞米是十的负十五次方米),这就意味着原子核的动能必须足够大,大到可以克服两个原子核之间的库仑势垒才行。

再算一个简单的计算题,两个相聚 1fm 的质子之间的库伦势有多大?

根据库仑定律我们可以计算出这个势能越为 1MeV,跟原子核的平均平动动能差了三个数量级。

很显然,原子核的动能太小了,不足以克服库仑势垒。

但是,由于量子隧穿效应的存在,哪怕原子核的动能再小,它都有一定的几率穿过库仑势垒发生核反应。只是由于动能远小于势能,这个反应过程将会异常的缓慢。所以恒星中的热核反应才会持续那么长的时间。

库仑势垒的存在让很多核反应变得极其缓慢,对中重元素来说尤其显著,毕竟它们的库仑势垒实在是太大了。那有没有一种避开库仑势垒的方法?

有,那就是中子捕获。因为中子不带电,所以它不必因为库仑势垒而烦恼。

恒星中的中子捕获可以分成两种:快过程(r 过程)和慢过程(s 过程)。在快过程中,恒星内部有着强大的中子束流,所以中子捕获的平均时间非常短,远远短于重元素的β衰变寿命,所以很多远离β稳定线的元素都可以在快过程中产生;而在慢过程中,恒星内部的中子束流很弱,中子捕获的平均时间要远长于重元素的β衰变寿命,所以在慢过程中只能生成那些与β稳定线挨得特别近的元素。

那么慢过程和快过程之间的中子流强到底能差到多大呢?举个例子,在一般的红巨星中,中子密度只有

,这样的环境下一般只能发生慢过程。而在超新星爆发的环境中,中子密度可以高达

,这时候快过程就有可能发生。

通过捕获中子,原子核变成了丰中子同位素,再通过β衰变变成具有更高电荷数的原子核。

慢过程对那些 A>100 的核素的产生过程贡献非常小,这些核素的合成主要还是要归功于快过程。

所以总结一下就是:铁以后的元素主要是靠中子捕获过程合成的,至于具体是 r 过程还是 s 过程,那要看情况。

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